血流檢測儀的動態(tài)電源管理模塊設(shè)計

摘要：電源管理是嵌入式便攜式產(chǎn)品重要的功能部件，高效的電源管理方法能夠有效降低系統(tǒng)功耗，延長系統(tǒng)的待機(jī)時間和電池使用壽命，而僅僅通過電路設(shè)計優(yōu)化已不能有效解決待機(jī)時間短、電池使用壽命短等問題，因此需要引入軟件算法與硬件電路協(xié)同工作解決這些問題。本文提出動態(tài)電源管理模型，并應(yīng)用于已完成的嵌入式血流參數(shù)檢測設(shè)計中，實踐證明，系統(tǒng)空閑時間的功耗得到大幅度降低，待機(jī)時間延長。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 動態(tài)電源管理 S3C44B0X

引 言

　　與其他便攜式電子產(chǎn)品一樣，血流參數(shù)檢測儀要做到小巧纖薄，堅固耐用，性能可靠，而且待機(jī)時間長。因此，系統(tǒng)設(shè)計要面對降低功耗及延長電池壽命的艱巨挑戰(zhàn)。電源管理模塊是系統(tǒng)非常重要的組成部分，它包括電池充電管理、電池電量檢測、CPU狀態(tài)轉(zhuǎn)換、LCD和鍵盤背光控制。本文將從硬件電路和軟件設(shè)計兩個角度實現(xiàn)這幾方面功能。

　　大量實踐證明，系統(tǒng)處于空閑的時間占整個運行時間的一大部分。電源管理就是為了減少系統(tǒng)在空閑時間的能量消耗，使嵌入式系統(tǒng)的有效能量供給率最大化，從而延長電池的供電時間。為了延長電池的使用時間，在硬件領(lǐng)域，低功耗硬件電路的設(shè)計方法得到了廣泛應(yīng)用。然而僅僅利用低功耗硬件電路仍然不夠，在系統(tǒng)設(shè)計中，提出采用“動態(tài)電源管理”概念，即把系統(tǒng)中不在使用的組件關(guān)閉或者進(jìn)入低功耗模式（待機(jī)模式）。另外一種更加有效的方法就是動態(tài)可變電壓DVS和動態(tài)可變頻率DFS，即在運行時動態(tài)地調(diào)節(jié)CPU頻率或者電壓。這樣可以在滿足瞬時性能的前提下，使得有效能量供給率最大化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

　　整個儀器設(shè)計采用S3C44B0芯片和uClinux操作系統(tǒng)。S3C44B0芯片是業(yè)界應(yīng)用較多、功耗較低、成本低的中檔產(chǎn)品。它提供五種工作狀態(tài)：NORMAL、SLOW、IDLE、STOP和SL_IDLE[1]。系統(tǒng)正常工作在NORMAL狀態(tài)，當(dāng)用戶無操作時段大于某一閾值時，則進(jìn)入IDLE狀態(tài)，用戶按假關(guān)機(jī)鍵進(jìn)入STOP狀態(tài)，這時系統(tǒng)功耗很低。為了便于管理，應(yīng)用層對電源管理狀態(tài)進(jìn)行了細(xì)劃，引入電源管理的六個狀態(tài)：數(shù)據(jù)采集狀態(tài)、正常工作狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、休息狀態(tài)、IDLE狀態(tài)和STOP狀態(tài)。其中，IDLE狀態(tài)和STOP狀態(tài)與芯片提供的內(nèi)容相同，由應(yīng)用程序負(fù)責(zé)狀態(tài)的遷移。整個儀器功耗最大的組件是背光（EL背光和鍵盤LED）、LCD和傳感器驅(qū)動，其次才是CPU，電源管理狀態(tài)遷移如圖1所示。

　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 系統(tǒng)的電源管理狀態(tài)遷移

　　1.1 電源管理模型

　　圖2是電源管理的原理框圖，其中包含6個模塊：Vcore，Vio，Backup，Charge，Vdriver和Vlcd，它們分別為系統(tǒng)各部分供電。

　　Vcore為系統(tǒng)內(nèi)核供電，供電電壓為1.8 V；Vio為系統(tǒng)的I/O口供電，供電電壓為3.3 V；Backup為系統(tǒng)備份電池供電，電池電壓為3 V；Charge為充電電路，電池電壓為3.6 V的充電電池；Vdriver為傳感器供電電路，電壓為±5 V；Vlcd為LCD模塊供電，供電電壓為3.3V和200VCA。

　　電池充電的電路原理為：當(dāng)CPU檢測到有外接電源時，CPU使用ADC檢測電池二端的電壓，并判斷是否需要充電；當(dāng)電池兩端電壓低于設(shè)定值時，打開Charge電路給電池充電，并檢測充電電流，以保證電池安全有效的充電，充電至設(shè)定值時停止充電；當(dāng)無外接電源時，電池為整個系統(tǒng)供電，CPU檢測電池電壓，當(dāng)?shù)陀谀骋辉O(shè)定電壓時，決定報警還是關(guān)機(jī)，以保護(hù)電池。

　　Vcore和Vio分別為系統(tǒng)的內(nèi)核和I/O口供電，同時Vio也為存儲器供電。Backup電池為系統(tǒng)的備份電池。

　　Vdriver為傳感器提供±5 V的電壓，并保證電流為25±1 mA。

　　Vlcd為LCD模塊提供二組電壓，其中3.3 V為LCD顯示提供電壓，200VAC為LCD的背光提供電壓。

　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 系統(tǒng)的電源管理框圖

　　1.2 驅(qū)動程序設(shè)計

　　1.2.1 驅(qū)動提供接口

　　系統(tǒng)硬件電源管理模塊為系統(tǒng)電源管理功能的實現(xiàn)提供必要的硬件基礎(chǔ)，并為驅(qū)動程序提供如下編程接口：

　　◆ 系統(tǒng)供電方式接口,通過此接口驅(qū)動和應(yīng)用程序，可知道系統(tǒng)此時是由電池供電還是由外接電源供電；
　　◆ 電池電量檢測接口，通過此接口驅(qū)動程序可檢測到系統(tǒng)的電量，應(yīng)用程序由此可實現(xiàn)系統(tǒng)電池電量的顯示及電池電量報警等功能；
　　◆ 電池充電狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)使用外接電源供電時，可對系統(tǒng)中的電池充電，通過此接口驅(qū)動可獲取電池的充電狀態(tài)（正在充電或電池已充滿）；
　　◆ 電池溫度檢測接口，通過此接口驅(qū)動程序可檢測到電池的溫度，電池溫度和電池電量相結(jié)合可用來計算電池的使用時間，同時在電池過熱（電池有問題）時向用戶報警，提醒用戶關(guān)機(jī)或更換電池。

　　電源管理驅(qū)動部分主要給上層提供如下接口。

　?。?） 取得電池電量及系統(tǒng)用電情況

　　通過端口ADC1讀取電池電壓。上限電壓為4.2 V，下限電壓為3.6 V ，報警電壓為3.6 V，強(qiáng)行關(guān)機(jī)電壓為3.4 V。數(shù)據(jù)電壓關(guān)系：1024－5 V ；0－0 V。

　　電池充電管理由硬件實現(xiàn)，但在電池充電到4.2 V時，延時30 min關(guān)閉充電功能(應(yīng)用層完成)。

　　控制端口為GPC1，1為外部電源供電，0為電池供電。在系統(tǒng)接有外接電源時，系統(tǒng)由外部電源供電。

　　（2） 電池充電控制

　　控制端口為GPA9，0為充電，1為關(guān)閉充電，當(dāng)電池電源低于3.8 V時，GPA9設(shè)為0，開始充電（應(yīng)用層完成）。

　　5 V電源只用于數(shù)據(jù)采集，非數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下關(guān)閉5 V電源（在ADC中實現(xiàn)）?？刂贫丝谑荊PC2，0為打開，1為關(guān)閉。

　　（3） 假關(guān)機(jī)

　　關(guān)機(jī)狀態(tài)下，只關(guān)閉鍵盤燈和液晶屏，但系統(tǒng)仍處于正常運行狀態(tài)。關(guān)閉鍵盤燈、液晶屏以及其他外設(shè)的工作由上層軟件實現(xiàn)。

　　1.2.2 程序流程

　　uClinux啟動時調(diào)用module_init(power_44b0_init)函數(shù)，進(jìn)而power_44b0_init被調(diào)用，進(jìn)行相關(guān)的初始化：

　　◆ power0_44b0_reg_init()初始化硬件寄存器；
　　◆ power_44b0_device_register()注冊power_44b0_fops以及中斷處理函數(shù)power_key_44b0_interrupt()，并且初始化定時器power_down_timer；
　　◆ 用戶程序通過power_44b0_open()函數(shù)打開/dev/power設(shè)備，通過power_44b0_release()函數(shù)釋放/dev/power設(shè)備，通過power_44b0_ioctl()函數(shù)實現(xiàn)對設(shè)備的各種操作；
　　◆ 關(guān)機(jī)進(jìn)入stop模式，通過中斷處理函數(shù)power_key_44b0_interrupt()處理關(guān)機(jī)鍵對應(yīng)的中斷，按下關(guān)機(jī)鍵后用power_down_timer計時，當(dāng)3 s后，power_down_timer對應(yīng)的動作power_down_timer_call()發(fā)生，從而進(jìn)入stop模式。

　　1.2.3 接口設(shè)計與接口函數(shù)實現(xiàn)

　　（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明

　　電源和設(shè)備狀態(tài)由power_status_t的結(jié)果表示。

　　typedef struct {?
　　　　unsigned long battery_quantity;//電池電量
　　　　　　　　　　　　//目前只提供電池電壓?
　　　　unsigned long device_status;//系統(tǒng)中各設(shè)備的運行狀態(tài)
　　　　　　　　　　　　//Bit0：系統(tǒng)供電方式，0：電池；1：外接電源?
　　　　　　　　　　　　//Bit1：LCD狀態(tài)，0：正常運行；1：關(guān)閉?
　　　　　　　　　　　　//Bit2：LCD背光狀態(tài),0：打開；2：關(guān)閉?
　　　　unsigned char system_status; //系統(tǒng)運行狀態(tài)：0為正常模?
　　　　　　　　　　　　//式，1為STOP模式?
　　} power_status_t

　?。?）file_operations的值

　　電源管理模塊驅(qū)動的file_operations具體值為：

　　struct file_operations power_44b0_fops={?
　　　　NULL,　　　　　　//struct module *owner;?
　　　　NULL,　　　　　　//llseek?
　　　　NULL,　　　　　　//read?
　　　　NULL,　　　　　　//write?
　　　　NULL,　　　　　　//readdir?
　　　　NULL,　　　　　　//poll?
　　　　power_44b0_ioctl,//ioctl，對上層調(diào)用ioctl的實現(xiàn)?
　　　　NULL,　　　　　　//test_mmap?
　　　　power_44b0_open, //open，打開設(shè)備?
　　　　NULL,　　　　　　//flush?
　　　　power_44b0_release,//release，關(guān)閉設(shè)備?
　　};

　?。?）power_44b0_ioctl()函數(shù)設(shè)計

　　函數(shù)原形：static int power_44b0_ioctl (struct inode *inode, struct file *filp,unsigned int cmd, unsigned int arg)。

　　功能說明：設(shè)備ioctl的操作函數(shù)。

　　參數(shù)說明：inode，文件指針，執(zhí)行操作類型，根據(jù)操作類型指定不同參數(shù)。

　　返回值：0表示成功，否則返回ENOTTY。

　　判斷cmd的值，根據(jù)cmd的不同值進(jìn)行不同的操作，電源設(shè)備的ioctl主要實現(xiàn)以下14種操作：

　　GET_POWER_STATUS，獲得由power_status_t結(jié)構(gòu)表示的電源與設(shè)備狀態(tài)；

　　SET_BATTARY_CHARGE_OFF，通過寫GPA9寄存器來停止充電；

　　SET_BATTARY_CHARGE_ON，寫GPA9寄存器來開始充電；

　　GET_SYS_STAT，獲得當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)；

　　START_VOLTAGE_CONVERSION，通道ADC1開始轉(zhuǎn)換電源電壓；

　　STOP_VOLTAGE_CONVERSION，通道ADC1停止轉(zhuǎn)換電源電壓；

　　GET_CHARGE_STATUS，取得當(dāng)前可否充電的狀態(tài)；

　　SYS_ENTER_STOP_MODE，用戶程序使系統(tǒng)進(jìn)入stop模式接口，調(diào)用power_down_timer_call()函數(shù)來實現(xiàn)；

　　SYS_ENTER_IDLE_MODE，用戶程序使系統(tǒng)進(jìn)入idle模式的接口，調(diào)用enter_IDLE_mode()函數(shù)實現(xiàn)；

　　SYS_ENTER_SL_IDLE_MODE，用戶程序使系統(tǒng)進(jìn)入sl_idle模式的接口，調(diào)用enter_SL_IDLE_mode()函數(shù)實現(xiàn)；

　　ENABLE_LCD，調(diào)用enable_lcd()使LCD工作；

　　DISABLE_LCD，調(diào)用disable_lcd()使LCD停止工作；

　　ENANLE_LED，鍵盤燈有效工作；

　　DISABLE_LED，停止鍵盤燈工作。

　?。?）power_key_44b0_interrupt 　　

　　函數(shù)原形：static void power_key_44b0_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) 。

　　功能說明：響應(yīng)關(guān)機(jī)鍵，進(jìn)入stop模式。

　　參數(shù)說明：中斷號，設(shè)備id，寄存器結(jié)構(gòu)。

　　下面介紹函數(shù)的算法描述。

　　在正常狀態(tài)下：

　　if (按下開關(guān)機(jī)鍵)?
　　　　{ 設(shè)置開關(guān)機(jī)鍵狀態(tài)為按下;
　　　　　關(guān)機(jī)計時器開始計時，計時結(jié)束時進(jìn)入stop模式;?
　　　　　設(shè)置開關(guān)機(jī)鍵產(chǎn)生中斷方式為上升沿觸發(fā)中斷;
　　　　}?
　　else//開關(guān)機(jī)鍵抬起?
　　　　{ 設(shè)置開關(guān)機(jī)鍵狀態(tài)為抬起;?
　　　　　使關(guān)機(jī)定時器失效;?
　　　　　設(shè)置開關(guān)機(jī)鍵產(chǎn)生中斷方式為下降沿觸發(fā)中斷;?
　　　　}
　　在關(guān)機(jī)狀態(tài)下：
　　if (按下開關(guān)機(jī)鍵)?
　　　　{ 設(shè)置開關(guān)機(jī)鍵狀態(tài)為按下;
　　　　　開機(jī)計時器開始計時，計時結(jié)束時進(jìn)入stop模式;?
　　　　　設(shè)置開關(guān)機(jī)鍵產(chǎn)生中斷方式為上升沿觸發(fā)中斷;?
　　　　}?
　　else//開關(guān)機(jī)鍵抬起?
　　　　{ 設(shè)置開關(guān)機(jī)鍵狀態(tài)為抬起;?
　　　　　使開機(jī)定時器失效;?
　　　　　設(shè)置開關(guān)機(jī)鍵產(chǎn)生中斷方式為下降沿觸發(fā)中斷。?
　　　　}

2 總結(jié)

　　儀器配置2200 mAh的鎳氫電池，經(jīng)過測試，電源管理模塊使整個系統(tǒng)的功耗降低了60%。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下，由電池的輸出電流為220mA左右；如果處于IDLE狀態(tài)，則電流總消耗為80mA；在STOP狀態(tài)(關(guān)閉ARM和所有設(shè)備，維持一個32 768 Hz的時鐘)，電流可降到10mA。實驗表明，利用動態(tài)電源管理，可對便攜式醫(yī)療儀器實現(xiàn)有效電源管理。

　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻(xiàn)

1 馬忠梅. ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002
2 許海燕. 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002